Les deux voies d'accès à l'énergie solaire : comprendre la production solaire d'hydrogène et l'énergie solaire concentrée

Alors que la plupart des individus considèrent l’électricité solaire comme un moyen de panneaux photovoltaïques utilisant la lumière du soleil comme source d’énergie ; il existe de nombreuses autres façons de tirer de la valeur du soleil que les simples panneaux photovoltaïques. Par exemple, vous pouvez utiliser le soleil pour produire de l'hydrogène propre et générer de l'électricité à grande échelle- grâce à la chaleur. Il existe quelques nouvelles technologies passionnantes qui repoussent les limites de l’énergie solaire : l’hydrogène provenant de sources d’énergie solaire et l’énergie solaire concentrée (CSP).

L’hydrogène est connu comme le « carburant de demain » pour plusieurs raisons. L'hydrogène a un contenu énergétique d'environ 142 MJ/kg, et si vous utilisez de l'hydrogène dans une pile à combustible, les seules émissions produites sont celles de l'eau. Cependant, produire de grandes quantités d’hydrogène de manière propre reste un défi majeur pour la production d’hydrogène. Une façon de résoudre ce problème consiste à utiliser la lumière du soleil pour diviser l’eau comme moyen de production d’hydrogène, ce processus n’entraînant aucune émission de gaz à effet de serre.

Il existe trois grands types de production d’hydrogène à partir de l’énergie solaire qui sont actuellement à différents niveaux de maturité :

La première technologie (la plus mature) utilise des panneaux photovoltaïques (PV) couplés à des électrolyseurs. Les électrolyseurs sont des appareils électriques qui consomment de l'électricité et convertissent l'eau en hydrogène et en oxygène en utilisant la chaleur et le transfert de chaleur. Les systèmes photovoltaïques sont les plus développés et les plus facilement disponibles ; Les systèmes photovoltaïques sont très modulaires et fiables ; lorsque le PV et l'électrolyseur sont connectés sans aucun dispositif de conversion de puissance, l'efficacité de conversion STH de l'ensemble du système s'approche de la limite théorique.

La recherche montre que les systèmes photovoltaïques concentrés surpassent largement les systèmes conventionnels. En utilisant des cellules InGaP/GaAs/Ge sous une concentration de 750 soleils, les scientifiques ont atteint des efficacités STH de 18 à 21 % avec des taux de production de 0,8 à 1,0 litres d'hydrogène par minute par mètre carré de surface de module. En comparaison, les modules de silicium conventionnels sous un seul soleil n'ont atteint qu'un rendement STH d'environ 9,4 % avec des taux de production d'environ 0,3 L/min·m². Cela représente un avantage de performance de 1,5 à 3 fois pour les systèmes concentrés.

L'électrolyse de l'eau a une plage d'utilisation efficace comprise entre 70 et 80 %, ce qui rend cette option plus attrayante si l'on considère les futurs prix de l'électricité renouvelable. Le seul défi majeur à l’heure actuelle est le prix élevé des électrolyseurs et l’imprévisibilité du rayonnement solaire, ce qui nécessite une intégration minutieuse dans le système.

Les systèmes photoélectrochimiques (PEC) utilisent une approche plus intégrée que les méthodes précédentes d'électrolyse de l'eau en générant d'abord de l'énergie électrique, puis en utilisant cette énergie pour générer de l'hydrogène à partir de l'eau. Les PEC utilisent des matériaux semi-conducteurs immergés dans l’eau, capables d’absorber la lumière du soleil et de la convertir directement pour stocker chimiquement l’énergie sous forme d’hydrogène par électrolyse de l’eau. Cela se produit lorsque la lumière frappe le semi-conducteur, créant des paires d’électrons/trous. Les électrons du mécanisme semi-conducteur réduisent les protons pour former de l'hydrogène ; les trous créés vont oxyder les molécules d’eau produisant de l’oxygène.

Les PEC ont été étudiés pour la première fois il y a environ 50 ans par Shinichiro Fujishima et Honda lorsqu'ils ont découvert qu'une électrode de dioxyde de titane (TiO2) pouvait diviser H2O en H2 et O2 lorsqu'elle était couplée à une cathode/alliage de platine et éclairée par une lumière UV. (C'est ce qu'on appelle "l'effet Honda-Fujishima")

Actuellement, les systèmes PEC ont une conception attrayante et compacte avec la capacité de réaliser une conversion directe du soleil-en-hydrogène grâce à un mécanisme simple et élégant. Malgré ces caractéristiques de conception positives, la technologie PEC en est encore à ses balbutiements et doit surmonter certains défis importants avant que la commercialisation puisse avoir lieu, tels que le faible rendement de leur conversion solaire-en-hydrogène, la dégradation des matériaux utilisés pour créer les cellules PEC et l'évolutivité des performances. Ainsi, des recherches en cours sont menées sur des matériaux avancés et des photoélectrodes nanostructurées conçues pour résoudre ces problèmes.

L’une des façons les plus créatives d’y parvenir consiste à utiliser des matériaux semi-conducteurs de taille nanométrique (également appelés points quantiques) dispersés dans un milieu aqueux comme photocatalyseurs. Lors de l'éclairage par la lumière du soleil, ils produisent des électrons (et des trous) qui peuvent migrer vers l'interface de la particule et initier les demi-réactions respectives d'oxydation et de réduction appelées respectivement dégagement d'hydrogène et dégagement d'oxygène.

Le système de photocatalyseur à particule unique, ou système d'excitation en une -étape, nécessite que la bande interdite du semi-conducteur chevauche à la fois le potentiel de dégagement d'hydrogène et le potentiel de dégagement d'oxygène. Il existe également un système de photocatalyseur en deux parties ou une configuration de photocatalyseur « Z - schéma où deux photocatalyseurs différents sont liés ensemble par un médiateur chimique (c'est-à-dire un couple redox) de sorte que la division de l'eau se produit en deux étapes distinctes ou demi-réactions. Cela réduit considérablement l’énergie nécessaire à chaque réaction, tout en permettant d’utiliser une plus grande variété de lumière visible.

Des avancées récentes démontrent le potentiel de cette approche. Une équipe de recherche chinoise dirigée par Liu Gang de l'Institute of Metal Research a amélioré le dioxyde de titane-le matériau photocatalytique clé-en ajoutant du scandium via un "remodelage structurel" et une "substitution d'éléments". Les ions scandium s'intègrent facilement dans le réseau du matériau, supprimant les « zones pièges » qui accrochent normalement les électrons, et remodèlent la surface du cristal pour former des « autoroutes électroniques » qui guident efficacement les porteurs de charge.

Le matériau amélioré utilise plus de 30 % de la lumière ultraviolette et atteint un taux de production d’hydrogène sous la lumière solaire simulée 15 fois supérieur à celui des versions précédentes. Selon l'équipe de recherche, un panneau photocatalytique d'un-mètre carré- pourrait produire environ 10 litres d'hydrogène par jour sous la lumière du soleil.

Même si la photocatalyse particulaire reste en laboratoire, son potentiel de déploiement à grande échelle-est convaincant. Les photocatalyseurs sous forme de poudre-sont plus simples à manipuler et plus faciles à répartir sur de vastes zones à l'aide de processus potentiellement peu coûteux par rapport aux systèmes PV-électrolyse ou PEC.

L’énergie solaire concentrée (CSP) adopte une approche fondamentalement différente pour exploiter le soleil. Au lieu de convertir la lumière directement en électricité, le CSP utilise des miroirs pour concentrer la lumière du soleil, générer de la chaleur à haute température, puis faire fonctionner des turbines conventionnelles pour produire de l'électricité.

Le concept fondamental est très simple. Des héliostats, ou agencements de miroirs, suivent la course quotidienne du Soleil et réfléchissent les rayons du Soleil vers un collecteur situé au sommet d'une tour. Cette concentration de lumière solaire est utilisée pour chauffer un fluide de travail à des températures très élevées, et une fois la chaleur produite, le fluide de travail chauffé est utilisé dans la génération de vapeur qui fera tourner une turbine entraînant le générateur.

La capacité d’incorporer le stockage d’énergie thermique dans un système CSP est ce qui rend le CSP si précieux. La chaleur produite par le processus de concentration des rayons du soleil peut être captée et stockée pendant des heures, ce qui signifie que la production d'électricité à partir du système CSP peut avoir lieu longtemps après le coucher du soleil. L'aspect dispatchable du CSP-c'est-à-dire que lorsque vous avez besoin d'électricité, vous pouvez la produire-est ce qui distingue le CSP des systèmes solaires photovoltaïques, qui cessent de produire de l'électricité lorsqu'il commence à se couvrir ou la nuit.

La technologie que l'on trouve actuellement au sommet de la pyramide (Gemasolar en Espagne, Crescent Dunes au Nevada et Noor III) utilise du sel fondu liquide utilisé non seulement pour transférer de la chaleur, mais également pour stocker de l'énergie. Les trois systèmes ont démontré avec succès leur capacité à fonctionner en continu pendant 24 heures complètes tout en conservant plus de 15 heures de stockage d'énergie avec des sels fondus liquides uniquement.

Le programme Concentrated Solar Power Generation 3 (CSP Gen3) du ministère américain de l'Énergie fera progresser cette technologie au-delà des systèmes CSP commerciaux existants. L'une des approches de conception explorées dans le cadre du programme CSP Gen3 est le système « Liquid Pathway », qui utilise des chlorures liquides relativement peu coûteux-comme stockage d'énergie, et un récepteur de sodium liquide à environ 740 °C pour transférer la chaleur vers le cycle d'alimentation en dioxyde de carbone supercritique (sCO2). L’ensemble du cycle électrique au sCO2 fonctionnera également avec un rendement plus élevé que les cycles traditionnels de type Rankine à vapeur.

Cela représente une avancée significative par rapport aux usines actuelles, qui fonctionnent généralement à environ 565 degrés en utilisant des sels de nitrate. Des températures de fonctionnement plus élevées permettent une plus grande efficacité et réduisent le coût actualisé de l'énergie-l'objectif Gen3 est inférieur à 60 $ par mégawatt-heure.

Un système à deux -réservoirs de sel fondu permet aux opérateurs de faire circuler le sel à travers des récepteurs solaires pour le charger (chauffant le réservoir "chaud"), puis à travers des échangeurs de chaleur pour générer de la vapeur lorsqu'une décharge est nécessaire. L'efficacité thermique du stockage lui-même est élevée -le stockage de la chaleur dans des réservoirs isolés dépasse 90 % d'efficacité pour les cycles quotidiens.

L'efficacité-aller-retour du stockage d'électricité se heurte toutefois à une limitation fondamentale. La reconversion de la chaleur en électricité via des turbines à vapeur n'atteint généralement qu'un rendement thermique de 35 - 42 %. Même les turbines à CO2 supercritiques avancées ont du mal à dépasser les 50 %. À titre de comparaison, les batteries lithium-ion dépassent régulièrement 85 % d'efficacité aller-retour.

Cette pénalité d'efficacité signifie que CSP est le mieux adapté aux applications où la valeur du stockage thermique-longue durée, faible coût par kilowattheure-heure de stockage et la capacité de fournir une génération synchrone-l'emporte sur les pertes de conversion. Pour un stockage à l'échelle du réseau-d'une durée de 6 à 12 heures, les aspects économiques peuvent toujours fonctionner.

Le développement des sources d'énergie renouvelables pour produire de l'électricité, la contribution des CSP à la décarbonation des processus industriels et la création de stockage thermique ont permis aux CSP de fournir des services au-delà de la seule électricité. De nombreux processus industriels nécessitent un approvisionnement continu et à la demande en vapeur ou en chaleur directe dans une plage de température de 300 à 550 degrés Celsius, ce qui inclut des processus tels que la fabrication du papier, le raffinage du pétrole et le traitement chimique.

En utilisant des systèmes de stockage d'énergie thermique à sels fondus à très grande-échelle, les CSP peuvent atteindre cet objectif en fournissant de la vapeur de traitement et/ou de l'air de surchauffe pour les applications industrielles, selon les besoins, en-temps réel. Les grandes capacités de ces systèmes de stockage d'énergie thermique aux sels fondus{{3}offrent également une alternative très coûteuse-efficace aux batteries électrochimiques, avec un coût inférieur à 35 $ par kilowatt-heure (kWh) de stockage d'énergie thermique utilisable.

Il existe des méthodes complémentaires pour exploiter l'énergie solaire, notamment la production solaire d'hydrogène et l'énergie solaire concentrée (CSP). L'énergie solaire est convertie en combustible chimique (hydrogène) via l'électrolyse photovoltaïque (PV) et des systèmes photocatalytiques qui peuvent être stockés indéfiniment. L’hydrogène peut être utilisé pour les transports, l’industrie et la production d’électricité. Alternativement, le CSP utilise la lumière du soleil pour générer de la chaleur. CSP convertit ensuite cette énergie thermique en électricité pour une livraison expédiée (ordonnée).

Des progrès rapides sont en cours dans les deux technologies. L'augmentation de l'efficacité de la conversion du solaire-en-hydrogène résulte de l'amélioration des matériaux et de l'intégration des systèmes ; CSP continue de faire pression pour des températures de fonctionnement plus élevées et des coûts plus faibles. Lorsqu'ils sont combinés, l'électrolyse photovoltaïque et le CSP permettent de créer un monde alimenté par l'énergie solaire-dans lequel non seulement le soleil fournit de l'énergie là où cela est nécessaire, mais produit également une forme-de carburant facilement stockable pour fournir de l'énergie pendant les-périodes creuses de la journée.

La Terre reçoit une quantité massive d’énergie du soleil. Cela équivaut à peu près à 173 000 milliards de watts (1 000 milliards de = 1 000 000 000 000) frappant la Terre chaque seconde. Les défis et opportunités pour les ingénieurs incluent la recherche de moyens d’utiliser plusieurs modes pour capter cette vaste réserve d’énergie solaire.